科學家研究表明:信息素4VA是蝗蟲聚群成災罪魁禍首

來源:科技日報時間:2020-08-14 14:47:14

蝗災與旱災、洪災并稱我國歷史上的三大自然災害,曾造成嚴重的農業和經濟損失。13日,中國科學院召開新聞發布會,介紹中國科學院動物研究所康樂院士團隊在《自然》上發表的一項揭示蝗蟲聚群成災奧秘的研究成果。研究人員鑒定出飛蝗群聚的信息素4VA(4-乙烯基苯甲醚),正是它導致了蝗蟲聚群成災。

飛蝗是世界上分布最廣泛的蝗蟲,我國的歷史記載顯示,大規模的蝗災發生過800多次。2019年至2020年6月,沙漠蝗在東非及西亞暴發,并蔓延到20多個國家和地區。

盡管蝗災與人類發展歷史長期相伴,但科學家一直沒有搞清楚蝗災的成因。近80年來,對蝗群如何形成有許多的假說,比如食物、繁殖地、群集信息素等假說,但是究竟是哪一個因素起主要作用以及其中的奧秘和機理并沒有在科學上被揭示。

上世紀七十年代,科學家們才逐步認識到群聚信息素可能是導致蝗蟲能夠聚集的最關鍵因素。經過50多年的努力,有幾種化合物被認為可能是蝗蟲的群聚信息素,這些信息素被命名為蝗醇、蝗酚等。但是,這些化合物中沒有一個化合物能符合群聚信息素的所有標準,特別是沒有野外種群驗證的證據。

康樂院士團隊通過分析群居型和散居型飛蝗的體表和糞便揮發物,在35種化合物中鑒定到了一種由群居型蝗蟲特異性揮發的化合物4VA。研究人員通過一系列行為實驗確定4VA對群居型和散居型飛蝗的不同發育階段和性別都有很強的吸引力。

同時,在飛蝗觸角上的四種主要感器類型中,研究人員發現4VA特異引起錐形感器的反應。在蝗蟲的上百個嗅覺受體中,他們發現定位在錐形感器中的嗅覺受體OR35是4VA的特異性受體。當使用基因編輯技術CRISPR/Cas9敲除OR35后,飛蝗突變體的觸角與錐形感器神經電生理反應顯著降低,突變體也對4VA的響應行為和吸引力喪失。

雖然4VA在實驗室能夠吸引和聚集蝗蟲,但證明它在自然環境中也具有同樣的作用至關重要。研究人員將含有4VA的誘芯布置在田間,通過室外草地雙選和誘捕實驗證明4VA對實驗室種群在戶外具有很強的吸引力。進而,他們將誘芯直接布局到蝗蟲野外發生區天津北大港,大范圍的區塊實驗再一次證明4VA不僅能吸引野外種群,而且不受自然環境中蝗蟲背景密度的影響。

“研究首次從化學分析、行為驗證、嗅覺受體鑒定、基因敲除和野外驗證等多個層面對飛蝗群居信息素進行了全面而充分的鑒定和驗證,發現和確立了4VA是飛蝗群聚信息素,本項研究范式將化學生態學的研究提高到一個新的階段。”康樂說。這項研究被認為是昆蟲學研究的一個重要突破。

對此,透明審稿人、美國科學院院士、美國洛克菲勒大學萊斯莉·沃斯霍爾教授在審稿意見中表示,這項工作做出了令人興奮的發現,找到了一個人們長期尋找的蝗蟲群聚信息素分子。文章包含了令人吃驚的多個層次的研究,我給予無條件地支持,這項杰出的工作不要有任何拖延應該優先在《自然》雜志上發表。

康樂表示,這項研究不僅揭示了蝗蟲群居的奧秘,而且使蝗蟲的綠色和可持續防控成為可能。研究將從多個方面改變人們控制蝗災的理念和方法,比如利用人工合成的信息素可以設計誘集帶誘集蝗蟲,并在誘集帶集中使用化學農藥或生物制劑將其消滅,從而極大地減少化學農藥的使用;根據4VA的結構設計拮抗劑,阻止蝗蟲的聚集;嗅覺受體OR35的發現,為使用基因編輯技術建立4VA反應缺失的突變體成為可能,這種突變體長期釋放到野外就可能在重災區建立起不能群居的蝗蟲種群,既在野外維持了一定數量的蝗蟲,又達到可持續控制的目的,將環境保護與害蟲控制有機地結合起來。(記者 陸成寬)

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